Нанотехнології та нові матеріали
У всі часи використовувані людиною матеріали визначали рівень розвитку технологій. Навіть історичні періоди дістали назви за основними технологічними матеріалами — кам’яна доба, бронзова, залізна... Якщо за аналогією добирати назву для сьогодення, то ми живемо на зорі композитної доби.
Композити — штучно створені матеріали, що складаються з двох або більше складників, які суттєво відрізняються між собою за фізичними чи хімічними властивостями. Поєднання таких компонентів спричиняє появу характеристик матеріалу, які не притаманні жодному складнику окремо.
Одним із перших композитних матеріалів можна назвати глиняну цеглу з соломою. Наявність соломи дала змогу неабияк підвищити міцність цегли, хоча ні глина, ні солома окремо особливою міцністю не вирізняються. А сьогодні, коли науковці навчилися збирати сировину буквально з молекул, почали з’являтися матеріали з неймовірними властивостями. Наприклад, фулерит може залишати подряпини на поверхні найтвердішої природної речовини — алмазу, графеновий аерогель у 7,5 раза легший за повітря, карбід гафнію витримує температуру до 3959 градусів за Цельсієм, а прозора графенова плівка у 200 разів міцніша за сталь. І все це тільки початок, адже наука лише недавно почала освоювати подібні технології виготовлення матеріалів.
ПЕРСПЕКТИВНІ ПРОФЕСІЇ
Технолог композитних матеріалів
Глазир
Скло — один із найдавніших відомих людині матеріалів. Імовірно, ще первісні люди помітили, що після надзвичайно жаркого багаття на вогнищі (так називається місце, де горіло багаття) залишаються шматочки твердого блискучого матеріалу — скла. А згодом люди здогадалися, що за досить високої температури ґрунт (особливо пісок) плавиться і перетворюється на тягучу речовину, яка після вистигання твердне і може розбиватися, утворюючи гострі уламки. Вулканічне скло — обсидіан, що утворюється в природі внаслідок швидкого вистигання лави, — широко використовувалося первісними людьми для виготовлення ножів і наконечників на списи. Саме тому цей матеріал надзвичайно цінувався.
За тисячоріччя людство навчилося багатьох секретів виробництва скла, сформувавши окрему галузь промисловості — скловаріння. У процесі використання різної сировини і добавок удалося дістати скло з цілком відмінними властивостями.
Сьогодні надзвичайно важко уявити життя без скла. З нього виготовлені вікна в будинках, посуд, оптичні прилади й багато інших звичних усім нам речей. Здавалося б, про цей матеріал усе давно відомо й нічого принципово нового запропонувати не можна... Одначе розвиток науки показав, що все лише починається! Глазир (від німецького Glas — «скло») — фахівець, який займатиметься розробленням склокомпозитних матеріалів. Такі матеріали вирізнятимуться легкістю, винятковою міцністю та гнучкістю. У різних умовах вони змінюватимуть свою прозорість, електропровідність чи колір. Будівельні склокомпозити забезпечать чудову теплоізоляцію будівель або перетворять звичайні квартирні вікна на інтерактивні екрани з функціями планшетних комп’ютерів завдяки вбудованим у матеріал мікроскопічним чипам.
Потрібні царини знань (hard skills)
Особисті захоплення, що впливають на вибір професії
Ця професія саме для тебе, якщо ти полюбляєш:
• проводити досліди з фізики та хімії;
• колекціонувати мінерали й гірські породи;
• досліджувати властивості різноманітних матеріалів.
Характеристики професії
Пов’язані професії
Технолог із виробництва скла — фахівець із процесів виготовлення матеріалу й готової скляної продукції (віконного скла, склотари, склосфер для обробки поверхонь тощо).
Склодув — фахівець із виготовлення скляних виробів з розігрітої скляної маси через видування. Створює посуд, вази, сувенірну продукцію, ялинкові іграшки, лабораторний посуд, неонові лампи і таке інше.
Вітражист — фахівець зі створення художніх композицій із кольорового скла. Розробляє дизайн та втілює проєкт, складаючи різнокольорові шматочки скла та скріплюючи їх металевою оправою. Виготовляє елементи інтер’єру, посуд, світильники, люстри, ялинкові прикраси, фоторамки тощо.
Інженер розумних композитів
У казках часто описуються чарівні предмети: шапка-невидимка, чарівний гребінець, із якого виростає ліс, сорочка, яку неможливо розірвати, скатертина-самобранка… Завдяки розвитку науки і технологій уже незабаром усі ці дивовижні речі можуть стати реальними. Секрет криється в так званих розумних композитах — матеріалах, здатних виконувати певні дії за тих чи тих умов.
Розумні композити в особливий спосіб переломлюють світло, приховуючи предмети, як це робить, скажімо, плащ Quantum Stealth, розроблений канадськими науковцями. Крім того, ці матеріали можуть неабияк збільшуватися в об’ємі, набуваючи певної форми (немов чарівний гребінець із казки) або самовідновлюватися (як-от тканина чарівної сорочки). Вбудовані у тканину нанороботи, запрограмовані збирати продукти харчування з молекул повітря, перетворять звичайну, на перший погляд, скатертину на харчову мініфабрику. Всі ці технології увійдуть у наше життя і стануть його звичною частиною.
Не випадково друга назва розумних композитів — самоорганізовувані системи. Неначе живий організм, такий матеріал сприймає зовнішній вплив (зміна освітлення, температури, тиску, хімічного складу навколишнього середовища), після чого «ухвалює рішення» та виконує відповідну дію. Віконне скло під впливом яскравого сонячного світла затемнюється, м’який захисний одяг миттєво твердне від удару, деформовані в дорожньо-транспортній пригоді деталі автомобіля набувають первинної форми від простого нагріву, не потребуючи складного ремонту.
Розробленням таких «магічних» матеріалів займатиметься особливий фахівець — інженер розумних композитів. Саме він, ознайомившись із поставленим завданням, підбере потрібні для реалізації сенсорні й виконавчі наноприлади, а потім поєднає їх з функціональною основою в чітку структуру, помітну лише під потужним мікроскопом. Цей фахівець подбає про те, щоб технологія виробництва розумного композиту була дешевою, а готовий матеріал широко використовувався в усіх можливих галузях.
Потрібні царини знань (hard skills)
Особисті захоплення, що впливають на вибір професії
Ця професія саме для тебе, якщо ти полюбляєш:
• проводити досліди з фізики та хімії;
• колекціонувати мінерали й гірські породи;
• досліджувати властивості різноманітних матеріалів.
Характеристики професії
Пов’язані професії
Сенсорний інженер — фахівець зі створення приладів, що використовуються для визначення і вимірювання різних фізичних властивостей: температури, тиску, руху, освітленості тощо. Розробляє конструкцію сенсорного пристрою (датчика) і технологію його виробництва.
Мікроелектронник — фахівець із розробки та виробництва мікропроцесорів, інтегральних схем, мікроплат й інших компонентів для керування машинами та механізмами. Характерна ознака розробок мікроелектронника — надкомпактні розміри електроніки.
Інженер напівпровідників — фахівець, який займається розробленням, тестуванням і впровадженням напівпровідникових пристроїв, що є невіддільною частиною електронного обладнання та комунікаційних систем.
Наноакселератор
Матеріали на основі синтетичних полімерів, здатних формуватися під дією тиску чи нагрівання, а після охолодження і затвердіння зберігати задану форму, дістали назву «пластмаси» (скорочення від «пластичні маси»), або просто «пластики». Їхня поява припала на другу половину XIX сторіччя і спричинила справжнісінький переворот у промисловості. Ще б пак! Таку дорогу натуральну сировину, як слонова кістка, китовий вус, черепахові панцирі й перламутр, нарешті вдалося замінити дешевими матеріалами, що за своїми властивостями нічим не поступаються природним аналогам. Тепер для виготовлення більярдних куль, рояльних клавіш, гребінців і ґудзиків не потрібно було винищувати тварин до майже цілковитого вимирання видів.
У період повсюдної електрифікації пластики знайшли своє застосування як матеріали для ізоляторів, а згодом увійшли до всіх галузей людського життя. Багато в чому замінюючи собою папір і деревину, пластмаси рятували ліси від масового вирубування. Здавалося, що пластики розв’язали всі проблеми людства… Аж раптом стало відомо, що довговічність і стійкість пластиків до зовнішніх чинників — це не завжди добре. Річ у тім, що відходи з натуральних матеріалів у природних умовах досить швидко розкладаються під впливом бактерій, а пластикове сміття здатне зберігатися сторіччями.
В океанах утворюються цілі острови з пластикових відходів, а пил із мікроскопічних частинок пластмаси може витати в повітрі тижнями, розносячись на величезні відстані та забруднюючи ґрунти і водойми. Крім того, багато пластиків, розпадаючись, викидають у навколишнє середовище токсичні хімічні речовини. Тварини, випадково проковтуючи пластик або заплутуючись у ньому, зазнають тяжких травм або навіть гинуть.
Розв’язанням глобальної проблеми пластикового забруднення планети можуть стати нанотехнології. Наноакселератор — це фахівець, який займатиметься прискоренням процесів розпаду матеріалів на молекулярному рівні. У цьому йому допомагатимуть рої з тисяч нанороботів, що зможуть розбирати полімерні молекули пластику на окремі складники, нешкідливі для навколишнього середовища.
Уявіть-но легку хмарку пари... Саме такий вигляд для людини матиме скупчення нанороботів-утилізаторів, кожен з яких окремо видно лише в мікроскоп. Така хмаринка, керована людиною, залишає після себе чисту від зім’ятих пластикових стаканчиків і поліетиленових пакетів землю із зеленою травою. Мікроскопічні «сміттярі» руйнують тільки пластики, не чіпаючи інших матеріалів. Завдяки роботі наноакселератора з океанів зникнуть «пластикові острови», розмірами з Францію, а природа очиститься від незліченної кількості залишків пластикових пляшок, ватних паличок, коктейльних трубочок, пакетів та іншого сміття.
Потрібні царини знань (hard skills)
Особисті захоплення, що впливають на вибір професії
Ця професія саме для тебе, якщо ти полюбляєш:
• працювати з мікроскопом;
• проводити досліди з фізики та хімії;
• довго сидіти на одному місці, займаючись улюбленою справою.
Характеристики професії
Пов’язані професії
Інженер з охорони навколишнього середовища — фахівець з організації комплексу заходів, спрямованих на забезпечення екологічної безпеки й мінімізації негативного впливу господарської діяльності людини на довкілля.
Еколог — фахівець, який займається аналізом ситуації в біосфері планети та розробкою заходів для зменшення наявної і можливої шкоди природі. Виявляє причини природних катаклізмів та розробляє методи зниження шкідливого впливу людської діяльності на навколишнє середовище.
Технолог зеленої хімії — фахівець, який розробляє продукти і процеси хімічного та біотехнологічного виробництва, що мінімізують або виключають використання та утворення небезпечних речовин. Запобігає можливості забруднення довкілля через створення екологічно чистого хімічного виробництва й нетоксичних матеріалів.
Наноінженер
У 1959 році нобелівський лауреат з фізики Річард Фейнман висловив ідею про те, що окремі атоми речовини можна переміщати, як цеглинки, за допомогою механічної руки відповідного розміру — маніпулятора. А для того щоб виготовити такий маніпулятор, він запропонував використовувати набір точних інструментів для створення та управління зменшеної копії цих самих інструментів, а ті, своєю чергою, — для створення та управління наступною зменшеною копією. Таким чином останні інструменти збирали б свою копію просто з атомів. І в результаті з їхньою допомогою можна було б збирати з окремих атомів, немов із цеглинок конструктора Lego, нові матеріали чи й навіть окремі предмети. Вважається, що саме Фейнман заклав основи нанотехнологій — напрямку науково-промислової діяльності, пов’язаної з мікросвітом на рівні атомів та молекул, що виник наприкінці XX сторіччя.
Навіть сьогодні, через чотири десятки років з моменту створення сканувального тунельного мікроскопа, що дав змогу на власні очі розглянути атоми речовини, нанотехнології не є чимось звичним і широко застосовуваним. Однак, поза всяким сумнівом, у майбутньому технології мікросвіту увійдуть у всі можливі галузі людського життя.
Наноінженер — фахівець, який займатиметься повсякденними практичними завданнями, які так чи так вирішуються на молекулярному рівні. Інакше кажучи, це не науковець-дослідник, який робить відкриття та розробляє нові способи отримання потрібних результатів, а технічний працівник, що обирає і використовує найвідповіднішу нанотехнологію для розв’язання побутових чи промислових проблем. Наприклад, створює для дерев’яної будівлі — пам’ятки архітектури — спеціальне покриття, завдяки якому деревину убезпечують від згубних зовнішніх чинників; або використовує спеціальні сполуки, що відновлюють зношені деталі машин до нових; або програмує нанороботів для очищення води від усіх видів забруднень. Крім того, важливим завданням наноінженера буде забезпечення належної утилізації матеріалів та виробів, що містять активні наночастинки, щоб не допустити їхнього непередбаченого впливу на навколишнє середовище і здоров’я людини.
Потрібні царини знань (hard skills)
Особисті захоплення, що впливають на вибір професії
Ця професія саме для тебе, якщо ти полюбляєш:
• працювати з мікроскопом;
• проводити досліди з фізики та хімії;
• довго сидіти на одному місці, займаючись улюбленою справою;
• вигадувати ідеї, як змінити світ на краще.
Характеристики професії
Пов’язані професії
Нанотехнолог — фахівець з дослідження властивостей нанорозмірних систем, що мають специфічні властивості, спричинені квантово-механічними ефектами. Створює нові матеріали на молекулярному та атомарному рівнях, займається впровадженням цих матеріалів на практиці.
Нанобіолог — фахівець, який займається розробкою процесів одержання біологічних форм на молекулярному та атомарному рівнях. Створює методи визначення різних молекул (токсинів, лікарських препаратів тощо). Розробляє способи синтезу білкових молекул та окремих клітинних компонентів, аналізує біохімічні складники мікросвіту для здійснення керованих терапевтичних впливів.
Інспектор безпеки наноіндустрії — фахівець, який контролює безпеку нанотехнологій на виробництві й у побуті, а також вживає заходів для зниження ризиків негативного впливу нанопродукції на довкілля і здоров’я людини.
Технолог композитних матеріалів
Композитні матеріали, або композити — це сполука, що складається з двох або більше різнорідних матеріалів з неоднаковими фізичними властивостями. Доповнюючи один одного, ці матеріали утворюють структуру, яка поєднує в собі позитивні властивості всіх окремих складників.
Головна особливість композитів — їхній неоднорідний склад. Наприклад, будівельний бетон, що складається із суміші піску, цементу й води, не є композитним матеріалом, бо всі його компоненти змішуються в одну загальну масу. Бетон добре протистоїть стисканню, витримуючи великі навантаження, але водночас швидко руйнується при розтягуванні. Якщо ж до бетонної конструкції додати каркас із залізних стрижнів — арматури, то вийде новий матеріал — залізобетон, якому не стануть на заваді ні стискування, ні розтягування. Залізобетон — чудовий приклад композитного матеріалу, адже в ньому залізні стрижні не поєднуються з іншим матеріалом, а лише доповнюють його.
Поява полімерних матеріалів — пластмас, епоксидних смол, гум — посприяла створення так званих полімерних композитів, у яких вуглецеві чи скляні волокна зв’язуються синтетичними смолами. Сьогодні саме ці матеріали найчастіше маються на увазі, коли мова заходить про «композитні матеріали». Дуже легкі, але водночас неймовірно міцні й термостійкі, такі композити широко використовуються у будівництві, автомобілебудуванні, авіації та космонавтиці.
Проте історія розвитку композитних матеріалів на цьому не завершується, а радше навпаки — лише починається. Розвиток нанотехнологій сприяє появі нових матеріалів з особливими властивостями. А використання таких матеріалів у композитних сполуках дасть змогу отримувати структури з фантастичними характеристиками. У майбутньому технолог композитних матеріалів створюватиме нанокомпозити, за допомогою яких можна буде проникнути в ядро Землі чи підтримувати термоядерну реакцію за температури в мільйони градусів, будувати міста на дні океанів, а чи створювати довговічні інструменти, що не піддаватимуться зношенню.
Потрібні царини знань (hard skills)
Особисті захоплення, що впливають на вибір професії
Ця професія саме для тебе, якщо ти полюбляєш:
• експериментувати зі створенням нових матеріалів;
• проводити досліди з фізики та хімії;
• довго сидіти на одному місці, займаючись улюбленою справою;
• вигадувати ідеї, як змінити світ на краще.
Характеристики професії
Пов’язані професії
Матеріалознавець — фахівець з вивчення, використання і створення натуральних та синтетичних матеріалів. Розробляє матеріали з визначеними фізичними й хімічними властивостями, а також технологію їхнього виготовлення.
Хімік-матеріалознавець — фахівець зі зміни властивостей матеріалів у різних умовах (за температурної обробки, екстремальних навантажень, регулярного використання в нормальних умовах, у процесі переробки й утилізації).
Технолог металів — фахівець з вивчення металів та розроблення сплавів із наперед зумовленими чи змінними через умови експлуатації властивостями (пружність, плавність, провідність тощо). Призначає способи обробки (механічний, термічний, хімічний тощо) металевих заготовок, установлює обмеження експлуатації готових металоконструкцій.
Ця стаття з крутого проєкту «Розумний плакат "Навички і професії майбутнього"»! Хочеш дізнатися про нього докладніше? Тоді тисни сюди!
А ще у нас є неймовірно захопливий комплект розумних плакатів «Світ навколо».
563